냉매가 재료 및 인체에 미치는 영향

[그림자]

냉매가 재료 및 인체에 미치는 영향
오휴규/ 부경대학교
냉동공학과 교수
서 론

지금까지 우리에게 가장 익숙한(했던) 냉매는 R-12, R-22, 그리고 암모니아(NH3)인데, 이들 냉매는 우리 인류의 생활을 편안하게 하였을 뿐만 아니라 각종 기계산업을 발전시키는 원동력이 되어왔다. 암모니아는 냉매로서의 열역학적 성질이 뛰어남에도 불구하고 그 독성과 가연성으로 인해 좋은 냉매로서 인식되지 못하였으나 R-12, R-22등은 우리 인류가 발견한 가장 좋은 냉매로 인식
되어 널리 사용되어 왔다. 그러나 지금으로부터 약 15년전 R-12를 포함하는 CFC계 냉매가 오존층을 파괴한다는 사실이 알려진 이후 우리 인류는 냉매의 선택에 대한 심각한 고민에 빠지게 되었고, 이 고민은 앞으로도 상당기간 계속될 전망이다.

범인류적으로 냉매 문제를 해결하기 위해 노력한 결과 암모니아 냉매에 대해서는, 환경친화적 냉매이므로 그 사용이 권장되는 대신 암모니아의 독성에 대비하기 위해 보다 안전한 기기와 제어기술의 개발이 이루어지고 있으며, R-12에 대해서는 이미 HFC계 냉매인 R-134a 냉매가 개발되어 사용되고 있지만, 현재까지 R-22(HCFC-22)에 대해서는 완전한 그 대체냉매를 개발하지 못한 상태이다.
R-22는 사용이 규제된 R-502의 대체냉매로서 뿐만 아니라 옛날부터 공조 및 업무용 냉동기에 사용되어 오던 것으로 R-12에 비해 ODP값이 약 1/20정도로 미약하다.
따라서 UNEP에서는 제1세대의 대체냉매로 생각하고 있지만 역시 미약하나마 ODP의 효과가 있으므로 이미 2010년대에는 사용 및 생산이 금지될 예정이다. 이러한 상황에서 세계각국은 R-22의 대체냉매를 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있으며, 그 결과 현재 상당수의 대체냉매들이 추천되고 있다.
그러나 이들 냉매들에 대한 재료 및 인체에 미치는 영향들에 대해서는 충분히 검토되어 있다고 볼 수 없는 실정임 바, 본고에서는 지금까지 대체냉매의 개발동향, 그리고 냉매의 규제 및 냉매가 우리 인체에 미치는 영향, 즉 안전과 독성 뿐만아니라 냉매가 냉동재료에 미치는 영향 등과 관련된 최신정보를 소개하고자 한다.


냉매의 규제 및 대체냉매의 개발동향

HCFC계 냉매의 규제
HCFC계 냉매는 종래부터 CFC계 냉매의 대체물질로서 냉매, 발포제, 세정제 등의 분야에 사용되었으나, 1992년에 개최된 제4회 몬트리올 의정서 체결국 회의에서 규제하기로 결정하였고, 선진국에서는 1996년 1월부터 HFC계 냉매의 사용이 규제되기 시작하였다. 그리고 1995년 12월 개최된 제7회 몬트리올 의정서 체결국 회의에서는 HCFC전폐기한을 2030년에서 2020년으로 단축(성층권의 오존층 파괴를 방지하기 위해 매년 개최되는 몬트리올 의정서 체결국 회의에서는 프레온 사용규제를 2년마다 더웅 엄격히 하는 추세이다.)하였다. 이러한 냉매에 대한 국제적 규제 움직임에 대해 우리나라에서도 CFC계 냉매에 대해서는 적극적으로 대처하고 있다고 볼 수는 있으나 HCFC대체 냉매에 대해서는 아직 부족하다고 볼 수 있다. 냉매를 사용하는 제품, 예를 들면 냉장고 등을 수출하여야 하는 우리나라의 입장에서 볼 때 냉매의 규제는 선진국의 문제가 아니며 바로 우리의 문제라는 인식이 필요하다.


프레온 냉매의 대체냉매

R-12 대체냉매로 개발되어 사용하고 있는 R-134a는 자동차용 에어컨이나 가정용 냉장고 등에 주로 사용되고 있고, 이보다 낮은 온도 영역이나 대형 냉동장치에서는 R-22와 같은 HCFC계 냉매가 사용되고 있다. 그러나 이들 냉매도 앞에서 언급한 바와 같이 2020년 경에는 오늘날의 R-12와 마찬가지로 거의 사용 및 생산할 수 없을 것으로 예상되므로 HCFC계 냉매의 대체화가 오늘날의
냉매문제로서는 가장 중요하다고 볼 수 있을 것이다.
HCFC계 냉매는 염소원자를 함유하고 있으나 수소원자도 남아 있기 때문에 대기중의 수명이 CFC계 냉매와 비교하면 짧고, 오존파괴지수(ODP ; Ozon Depletion Potential)도 CFC계 냉매보다 크지 않다. 현재까지는 대부분의 냉동공조기에 HCFC-22를 사용하고 있는데, 아직까지 완전한 대체냉매가 없는 실정이다. 불행히도 R-22의 표준비점이 유사한 HFC계 냉매는 없으므로 우리나라와 일본, 미국 등에서는 혼합물의 사용을 고려하고 있다. 즉, HFC계 냉매중에서 R-32, R-143a, R-152a 등을 혼합하는 것인데, 이들 물질을 단독으로 사용할 경우는 가연성이 있으므로 인체에 위험성이 있다. R-32의 경우는 임계온도가 R-22에 비교적 근접할 뿐만아니라 그 증발잠열도 대단히 근접하므로 냉매로서의 능력이 뛰어나다고 할 수 있다. 따라서 적당한 다른 냉매와 R-32를 혼합함으로 해서 R-32의 가연성을 감소시키고 R-22의 포화증기압력에 근접시킬 수 있는 혼합냉매가 발견된다면 대단히 좋을 것이다. 현재로서 이러한 목적으로 R-32와 혼합할 수 있는 냉매로서는 R-125, R-134a, 그리고 R-152a 등이다. 앞에서 언급한 바와 같이 상품명으로 등록된 R-32의 혼합냉매에는 R-407c(23/25/52 mass% R-32/R-125/R-134a). R-410a(50/50mass%, R-32/R-125)등이다. 이러한 혼합냉매들은 현재 R-22, R-502 등을 사용하고 있는 냉동장치의 대체냉매로서 개발된 것으로 볼 수 있다.
R-410a나 R-407c는 비교적 R-22에 근접하는 냉동사이클 특성을 가지고 있다. 특히, 공비혼합냉매의 성질을 가지는 R-410a는 냉동능력 R-22보다 크나, 동시에 압축일량도 크게되므로 COP는 R-22보다 다소 감소하게 된다. 바꾸어 말하면 R-410a의 냉동장치의 경우 압축기는 적은 용량으로서 종래와 같은 냉동능력을 낼 수가 있으나, 같은 압축기 효율로 한다고 한다면 전기료가 많아
지게 된다. 이러한 관점으로 볼 대, 에너지 자원 및 지구 온난화를 방지한다는 입장으로부터는 R-410a가 바람직하지 못한 냉매라고 생각할 수 있다. 단지, 압축기가 소형화 될 수 있다는 장점을 잘 이용하면 고효율화를 이룩할 가능성은 있다고 볼 수도 잇다. 현재 우리나라와 일본 등에서는 R-410a가 R-22나 R-502대체냉매로 될 것으로 생각하고, 각 기업에서도 이에 관한 대비를 하
고 있는 실정이다.


대체냉매의 개발동향

지금까지 우리 인류가 즐겁게 사용하여 온 CFC계 및 HCFC계 냉매들이 자연환경에 악영향을 미친다는 보고 이후, 다양한 대체냉매들이 개발되고 있다. 사실 엄격히 말하면 냉매의 규제는 몬트리올 의정서에 서명한 체결국만의 문제라고 할 수도 있지만, 우리나라와 같이 수출 중심으로 국가경제를 운용하여야 하는 국가는 자연히 몬트리올 의정서 체결국과 마찬가지로 여러 가지 냉매 규제에 대한 약속을 따라야 할 입장이다. 즉, 몬트리올 의정서 체결국들은 대부분 선진국들이고, 우리나라는 냉매와 관련된 여러 가지 상품들을 이들 국가에 수출하여야 하는데, 이 때는 몬트리올의정서에 의한 규제를 받기 때문이다.
현재 대체냉매의 개발은 미국의 주도하에 이루어지고 있는 실정인데, 미국 EPA(Environmental Protection Agency)와 UL(Underwriter`s Laboratories)에서 추천하는 최신 정보(1998년 7월 현재, http://www.epa.gov/ozon/title6/snap/list/reflist.pdf,∼ /refblend.pdf)를 간추려 다음의 표들로 소개한다.

냉매가 인체에 미치는 영향

냉매에 의한 오존층의 파괴

냉매는 냉동장치, 공조기기 등의 장치내에서 열을 낮은 곳에서 높은 곳으로 수송하는 역할을 한다. 따라서 이들 장치에서는 냉매가 인체에서의 혈액과 같은 역할을 하는 것인데, 종래부터 R-11, R-12 등의 CFC계 냉매, R-22 등과 같은 HCFC계 냉매, 그리고 이들의 혼합물인 R-502와 같은 냉매들이 많이 사용되었다. 그러나 몬트리올 의정서가 발표된 이후 CFC계 냉매가 오존층을 파괴
한다는 인식이 확대됨에 따라 그 규제가 시작되었다. 오존층은 지상으로부터 약 20∼40km에 있는데, 이곳에서 유해자외선을 흡수함으로 해서 지구상의 생명을 보호하는 역할을 하고 있는 것이다.
그런데 CFC계 냉매가 대기중으로 방출되면 이들 냉매중에 있는 염소원자가 원인이 되어 성층권의 오존층을 연쇄적으로 파괴함으로 지표에 도달하는 유해자외선의 양이 증가하게 되고, 이로 인해 피부암이나 백내장의 발생율이 상승함은 물론 생태계에 중요한 영향을 미칠 우려가 있다는 것이다. 이러한 우려는 1974년 미국의 연구자들에 의해 제안된 이후 셰계적인 지지를 받고 있으며
현재는 선진국이 중심이 되어 오존층 파괴 물질에 대한 규제를 착실히 진행하고 있다. 이러한 국제적 협력은 과거 어떠한 사건보다도 가장 잘 지켜지고 있다고 볼 수 있을 것인데, 지구 환경의 오염은 국가개념을 벗어난 온 인류의 문제이기 때문일 것이다.
1994년 국제연합 환경계획 평가위원회에서는 다음과 같은 내용을 보고하였다. 즉, 오존홀이 1970년대 말 처음로 나타난 이후, 남극이 오존홀을 매년 계절적으로 나타났으며(3월에 가장많고 10월에 가장 적게되는 주기를 반복한다.), 최근 수년간의 발생율은 특히 현저하다. 그러나 근년에는 몬트리올 의정서 체결국이 의정서 규정을 준수하면 오존층은 21세기초부터 회복하기 시작하여 남
극지방의 오존홀도 2040년 경에는 없어질 것으로 예상한다는 것이다. 이러한 내용을 그림으로 나타내면 다음[그림1]과 같다.


냉매에 의한 온실효과

CFC계 냉매는 강력한 오존층 파괴물질임과 동시에 온실효과를 야기시키는 가스이기 때문에 그 생산 및 사용을 금지하고, 그 대체물질로서 사용하고 있거나 또는 유력시 되는 HFC계 등의 냉매는 CFC계에 비하여 대부분 지구온난화계수가 대단히 낮다. 그러나 CO2에 비하면 1,000배∼10,000배에 달하고 있다. 따라서 이들 대체 냉매의 온실효과를 포함해서 냉매의 배출억제, 사용의
합리화, 새로운 대체물질의 개발 혹은 국제적 규제 동향에 주력하여야 할 것이다.
사실, 독일을 비롯한 유럽에서는 소위 자연 냉매로서 탄화수소나 암모니아, 탄산가스 등과 같이 자연계에 있는 물질을 냉매로서 사용하여야 한다고 주장하고 있으며, 이들 나라에서는 이미 상당부분 소위 자연냉매를 사용하고 있다. 지구 온난화계수(GWP, Global Warming Potential)나 냉동사이클의 열효율 문제상으로는 HFC계 등의 프레온계 대체물질의 사용에 부정적인 의견도 많다. 독일에서는 프로판에 부탄을 혼합한 탄화수소계의 냉매가 냉장고용 냉매로서 일빈화되고 있는 실정이고, 중국에서는 R-22/R-152a 등의 가연성 물질(R-152a)을 포함하는 몇가지의 냉매가 냉장고용으로 판매되고 있다. 사실, 가연성인 냉매가 고효율인 것이 많은데 우리나라를 비롯하여 일본과 미국 등에서는 아직 이들 가연성 냉매의 사용은 거의 고려하지 않고 있는 실정이다.
에너지 자원의 고갈이라는 점에서는 물론 지구 온난화의 문제로부터도 냉동장치의 효율을 향상시키는 냉매의 사용은 바람직하다고는 볼 수 있다. 이러한 점에서 암모니아 등 자연냉매를 포함하는 넓은 관점으로부터 적합한 냉매를 찾아내는 것은 앞으로의 과제라고 할 수 있다.


중요 냉매의 독성

ASHRAE SSPC 34기준으로 한 여러 가지 냉매들의 가연성과 독성을 분류하면 다음의 표와 같다.
[표8]
위의 표에서 A는 독성이 낮은 냉매로 400ppm 이하에서는 독성이 없는 냉매이며, B는 독성이 높은 냉매로 400ppm 이하의 농도에서 독성이 있는 냉매이다. 그러고 1은 가연성 및 독성이 없음, 2는 낮음, 그리고 3은 높음을 나타낸다. 여러 가지 대체 냉매들의 독성이나 안전성에 관해서 더 많은 자료를 얻고자 하면 "Refrigerant reference guide"(National Refrigerants Inc., U.S.A., 1997)를 참고하면 좋을 것이다.


대체냉매가 재료에 미치는 영향

냉동장치를 우리들의 신체에 비유하면 냉동장치의 압축기는 심장이며, 냉매는 혈액에 상당한다고 볼 수 있다. 따라서, 혈액에도 혈액의 종류가 있듯이 냉매에도 냉매의 종류가 있으며, 그 각각의 종류가 있듯이 냉매에도 냉매의 종류가 있으며, 그 각각의 종류가 다르면 그 특성도 달라지게 된다. 즉, 혈액형이 A인 사람에게 아무런 사전 조치 없이 B인 혈액을 주입하면 냉동장치에서 압축
기의 역할을 하는 심장이 작동하지 못하게 되는 것과 마찬가지로, 냉동장치에서도 사용하고 있는 것과 다른 냉매를 주입하여 사용하게 되면 압축기의 신뢰성에 심각한 영향을 주게 된다.
예를 들면 CFC계 냉매를 사용하는 압축기에는, 냉매의 염소성분이 압축기의 피스톤이나 축수 등에서 일어나는 마찰면에서 염화철을 생성하게 되어 윤활효과를 높이게 되므로 압축기의 수명을 연장하는 효과가 있다. 그러나 R-12의 대체냉매인 HFC계 냉매 R-134a 등에는 염소성분이 없으므로 압축기의 보호는 윤활유에 100% 의존할 수밖에 없으므로 피스톤이나 축수 등에는 과다한
마찰이 일어나지 않을 재료를 선택하여야 하며, 냉동유의 적합성은 물론 내구성에 대한 검토가 중요한 과제로 된다. 따라서, 특히 여러 가지 재질로 구성되는 압축기의 경우는 냉매가 재질에 미치는 영향을 면밀히 검토하여야 한다.
그리고 밀폐형 압축기에서는 내장된 모터의 절연체와 윤활유 등에 여러 가지 미소 첨가물이 사용되는데 배관 경로의 세정제 등 화학 성분과 반응하고 배관내면에 저항체를 형성하게 된다. 이것은 마치 혈액중의 콜레스테롤이 뇌졸중이나 협심증을 일으키는 것과 마찬가지로 냉매배관을 폐쇄하게 되면 냉각불량이나 불능한 상태가 일어나게 되는 원인이 된다. 특히 소형 냉동장치에서는 내경 0.6mm 이내, 길이 2m전후인 모세관이 사용되므로, 재료의 구성이나 세정공정 등에서 화학재료 등이 냉매중에 유리되게 되어도 이러한 결과가 일어날 수가 있다.
냉매의 증발온도가 대단히 낮은 냉각기의 모세관 출구부에서는 냉매중에 수분이 있으면 동결하게 되므로 냉매순환에 장애 요소가 되어 냉각불량으로 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 냉동사이클의 고압측 배관내에 건조기를 설치하여 수분을 선택적으로 제거하고 있다. 여기에 사용되는 건조재에는 molecular sieve를 사용하고 있는데, 대체냉매인 HFC-134a는 CFC-12보다 분자가 적으
므로 종래의 R-12용 건조기 규격에서는 수분이 흡착되는 molecular sieve에 냉매가 침입하여 수분흡착 능력을 저하시킬 뿐만아니라 수분과 반응하여 산을 발생시키므로 건조재 그 자체를 분쇄하게 된다. 따라서 이러한 냉매에 의한 재료의 손상을 방지하기 위해서는 수분흡착경이 보다 적은 molecular sieve를 채용하여야 한다.
물론 암모니아를 사용하는 장치에서는 동 및 동합금을 사용하여서는 안된다. 그러나 압축기의 베어링과 같이 항상 냉동유막에 쌓여서 암모니아액과 직접접촉하지 않는 곳에서는 청동류를 사용할 수 있다. 그리고, 염화메칠을 사용하는 장치에서는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 사용하면 안되며, 프레온계 냉매의 경우는 2% 이상 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금을 피하여야 된다는 것
들은 종래부터 잘 알려진 사항들이다. 그리고, 오늘날 거론되고 있는 새로운 대체냉매들은 혼합냉매가 많은데, 혼합냉매의 경우는 그 조성 냉매들 각각에 대한 재료와의 적합성 여부를 검토하여야 한다.


결 론

지금으로부터 약 15년전 처음으로 프레온계 냉매가 지구환경문제에 관계한다는 것이 세계적으로 인식된 이래, 프레온 대체화 기술은 경제적인 문제를 초월하여 모든 관계자들의 진지한 노력으로 예상보다 빠른 속도로 호전되어 왔다. 냉매에 의한 지구환경의 오염은 우리 인류가 처음으로 경험하는 전 지구적인 과제이며, 우리는 이 문제에 관한한 정치적으로는 물론 기술적으로도 순조롭
게 대처하고 있다고 볼 수 있다. 그러나 대체냉매의 선택에 있어서는 우리나라와 미국, 일본에서는 어디까지나 냉매가 인체에 직·간접적으로 미치는 영향과 관련하여 HFC계 냉매를 선호하는 실정이다. 그러나 이와 반면에 유럽에서는 냉매가 인체에 직접적으로 미치는 영향인 냉매의 폭발위험성등은 어느 정도 감수하면서도 지구환경에 미치는 영향, 즉 오존층이나 온실효과와 무관한 자연냉매인 부탄 등 탄화수소계 냉매를 선호하는 미묘한 차이가 있다고 볼 수 있다. 냉매가 직접적으로 우리 인체에 미치는 영향을 생각할 때, 현시점에서는 어느 방향이 좋다고(HFC계 냉매 혹은 자연냉매) 간단히 결론지을 수 는 없다고 본다.
본고에서는 대체 냉매와 관련한 최신 정보와, 냉매가 우리 인류에게 미치는 직접적 및 간접적 영향과 재료에 미치는 영향 등을 중심으로 논하였는데, 냉매가 우리 인체는 물론 우리나라의 경제에 미칠 수 있는 영향은 대단히 크므로 우리는 이 분야의 연구동향이나 세계적 추세를 면밀히 분석하고 우리나름대로의 대책을 수립할 필요가 있다고 본다. 끝으로 본고를 계기로 냉매의 위험성과 중요성에 대한 모든 사람들의 인식이 더욱 향상되었으면 하는 생각이다.

[GM-PARK]

원본 게시글에 꼬리말 인사를 남깁니다.